霍東礦區(qū)煤炭資源開采對土壤質(zhì)量的影響

王曉婭焦姍王愛軍

1 中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院，山西 太原 030002

2 中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051

山西省是煤炭資源大省，資源儲量和產(chǎn)量均位于全國前列。煤炭資源的開采為全省經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻(xiàn)的同時，大量礦山地質(zhì)環(huán)境問題也隨之產(chǎn)生，包括地形地貌景觀破壞與土地資源占用和破壞、地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞等。其中，地面塌陷、地裂縫作為采煤沉陷區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害，不僅破壞原有地貌，還會影響作物生長，土壤質(zhì)量下降，生產(chǎn)力降低。原因在于地下煤層開采產(chǎn)生采空區(qū)，經(jīng)過長時間變形積累在地面形成沉陷區(qū)，并產(chǎn)生多處地表裂縫，而地表裂縫的產(chǎn)生改變了耕地原先的入滲條件和蒸發(fā)路徑，導(dǎo)致采煤塌陷區(qū)土壤水分蒸發(fā)增強和養(yǎng)分滲漏流失加劇，嚴(yán)重影響了耕地土壤所處的水環(huán)境與養(yǎng)分環(huán)境，土壤生產(chǎn)力嚴(yán)重下降最終引起土地荒漠化、貧瘠化。

土壤質(zhì)量的核心是土壤生產(chǎn)力，基礎(chǔ)是土壤肥力質(zhì)量[1]。目前，眾多學(xué)者[2-3]對土壤質(zhì)量評價做了研究，用不同的指標(biāo)和評價方法對土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，國外常用的評價方法主要有[4]多變量指標(biāo)克立格法、土壤質(zhì)量動力學(xué)方法、土壤質(zhì)量綜合評分方法和土壤相對質(zhì)量綜合評分方法。此外，F(xiàn)uzzy 綜合評判法[5]、模糊數(shù)學(xué)法[6]、GIS[7]等多種方法和技術(shù)用于土壤質(zhì)量評價也取得了很好的效果。礦山開采對土壤的影響已經(jīng)不可忽視[8-10]，為了定量分析煤炭資源開采對土壤質(zhì)量的影響，本文以霍東礦區(qū)某煤礦的沉陷區(qū)土壤樣品為研究對象，通過層次分析法獲得耕地質(zhì)量綜合指數(shù)，同時在收集當(dāng)?shù)剞r(nóng)田基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上與正常農(nóng)田綜合指數(shù)作對比，進(jìn)一步分析地面沉陷對土壤質(zhì)量的影響，為土地復(fù)墾與治理提供依據(jù)。

1 樣品準(zhǔn)備及檢測內(nèi)容

以霍東礦區(qū)某煤礦為例，在沉陷區(qū)土地取樣30 組，取樣位置位于礦區(qū)北部地面塌陷與地裂縫較為嚴(yán)重的一處農(nóng)田里，采樣深度為0～20cm，采用不銹鋼取土器采樣，取樣器垂直于地面入土，深度相同；用取土鏟取樣需要先鏟出一個斷面，再平行于斷面取土。樣品編號XYY001～XYY030，委托山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局213 實驗室按照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166-2004）及有關(guān)國標(biāo)和行業(yè)技術(shù)規(guī)范對其進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)及常量養(yǎng)分分析，包括pH、氧化還原電位（Eh）、陽離子交換量（CEC）、有機質(zhì)（O.M）、腐殖質(zhì)、全氮（T-N）、全磷（T-P）、全鉀（T-K）、全硫（T-S）、硫化物（S2-）以及烴類，檢測結(jié)果初步顯示部分樣品的有機質(zhì)和全氮、全磷等含量相比于正常農(nóng)田有一定流失。

2 沉陷區(qū)土壤質(zhì)量評價

2.1 確定耕地質(zhì)量指標(biāo)評價體系

選用層次分析法進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價，首先確定評價指標(biāo)并建立評價體系，耕地質(zhì)量評價指標(biāo)可劃分為三個層次。

（1）目標(biāo)層。耕地質(zhì)量作為工作目標(biāo)層。

（2）準(zhǔn)則層。根據(jù)檢測指標(biāo)，準(zhǔn)則層包括化學(xué)指標(biāo)、養(yǎng)分指標(biāo)和生物指標(biāo)。

（3）指標(biāo)層。將上述準(zhǔn)則層的目標(biāo)細(xì)分為若干具體評價指標(biāo)（表1）。

表1 研究區(qū)耕地質(zhì)量指標(biāo)體系 Table 1 Cultivated land quality index system in the study area

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)Satty 的1～9 度判斷矩陣中因子的確定依據(jù)，對目標(biāo)層和準(zhǔn)則層的各要素之間進(jìn)行比較，并構(gòu)造目標(biāo)層和準(zhǔn)則層中各要素的兩兩比較判斷矩陣，最終確定指標(biāo)體系的判斷矩陣如表2～表5所示。

表2目標(biāo)層A 的判斷矩陣 Table 2Judgment matrix of target layer A

表3準(zhǔn)則層A1 的判斷矩陣 Table 3Judgment matrix of criterion layer A1

表4準(zhǔn)則層A2 的判斷矩陣 Table 4Judgment matrix of criterion layerA2

表5準(zhǔn)則層A3 的判斷矩陣 Table 5Judgment matrix of criterion layer A3

2.3 權(quán)重計算與排序

利用方根法求解A 的歸一化特征向量和特征值，所求特征向量即為各因子的權(quán)重，并采用方根法計算得到各層指標(biāo)的組合權(quán)重值（表6），并且經(jīng)過一致性檢驗，具有滿意的一致性。

表6各層指標(biāo)的組合權(quán)重值 Table 6 Combination weight value of indices at each level

2.4 評價指標(biāo)隸屬度的確定

由于各指標(biāo)對土地質(zhì)量的影響不同，利用Fuzzy 綜合評判法[5]確定各指標(biāo)隸屬度，包括S型隸屬度函數(shù)和拋物線型隸屬度函數(shù)。本次適宜于拋物線型隸屬度函數(shù)的評價參數(shù)為pH 值，其隸屬度函數(shù)如下：

適用于S 型隸屬度函數(shù)類型的指標(biāo)參數(shù)，包括氧化還原電位、陽離子交換量、有機質(zhì)（O.M）、腐殖質(zhì)和烴類等，各參數(shù)的隸屬度函數(shù)表達(dá)式如下（a、b 為臨界值）：

然后，根據(jù)實際情況確定各參數(shù)表達(dá)式的a、b（表7），最終可以確定各參數(shù)的表達(dá)式。

表7參數(shù)表達(dá)式臨界值取值 Table 7Critical value of parameter expressions

2.5 耕地質(zhì)量綜合指數(shù)的計算

根據(jù)《耕地質(zhì)量等級》（GB/T33469-2016），耕地質(zhì)量綜合指數(shù)的計算公式如下：

式中，P 為耕地質(zhì)量綜合指數(shù)；Ci為第i 個評價指標(biāo)組合權(quán)重；Fi為第i 個評價指標(biāo)的隸屬度。

最終可以得到不同取樣點的耕地質(zhì)量綜合指數(shù)（表8）。

表8沉陷區(qū)土樣耕地質(zhì)量綜合指數(shù) Table 8Comprehensive indices of cultivated land quality of soil samplein the subsidence area

2.6 開采沉陷對耕地質(zhì)量的影響

為定量評價開采沉陷對耕地質(zhì)量的影響，結(jié)合當(dāng)?shù)馗卣Ｉa(chǎn)狀況，得到取樣地區(qū)正常農(nóng)田綜合指數(shù)，并與土壤樣品耕地綜合指數(shù)相比，劃分得到耕地質(zhì)量下降等級標(biāo)準(zhǔn)（表9），并由此得到各個礦區(qū)耕地質(zhì)量下降等級。

表9研究區(qū)耕地質(zhì)量下降等級標(biāo)準(zhǔn) Table 9Grade criteria for decreasing the quality of cultivated land in the study area

為了得到該礦區(qū)正常農(nóng)田綜合指數(shù)，收集資料并參考霍東礦區(qū)其它礦山的土地生產(chǎn)狀況資料和論文，并與礦區(qū)的地形、氣候、土壤、降雨等生產(chǎn)條件做類比分析，最終得出該礦區(qū)的正常農(nóng)田生產(chǎn)指數(shù)分別為0.8752，由此可以得到采樣區(qū)各個位置耕地質(zhì)量下降情況（表10、圖1）。

表10研究區(qū)耕地質(zhì)量下降情況 Table 10 Decline in cultivated land quality in the study area

由圖1 可以看出，研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量主要受此處3 條地裂縫的影響，走向175°左右，近似平行，長度60～70m，寬度最大處為0.4m，其中還出現(xiàn)2 處塌陷坑，呈橢圓形，面積10m2左右?？梢钥闯龃藚^(qū)域內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量等值線分布較為規(guī)律，距離地裂縫近的地方，耕地綜合指數(shù)越低，其中，耕地綜合指數(shù)最小值為0.6460（XYY-002），屬于中度損壞，其余地區(qū)均為輕度損壞。

圖1研究區(qū)耕地質(zhì)量下降情況 Fig.1Decline in cultivated land quality in the study area

3 結(jié)論

本文計算得到各個土壤樣品的耕地質(zhì)量綜合指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過與正常農(nóng)田耕地質(zhì)量綜合指數(shù)對比，定量評價了開采沉陷對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，可以發(fā)現(xiàn)地裂縫和地面塌陷的存在對耕地質(zhì)量影響很大，大部分農(nóng)田都處于“輕度損壞”的狀態(tài)，但也有局部為“中度損壞”，嚴(yán)重影響了耕地生產(chǎn)力，建議采取一定的治理措施對沉陷區(qū)進(jìn)行治理，比如填埋、復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)等。